寧波海曙區“煙花”臺風復演及對策措施研究

姚 冰，余方順，董其裕

(寧波市水利水電規劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192)

寧波市海曙區位于東南沿海，是境內最重要的經濟活動場所，臺風及熱帶風暴登陸侵襲，是造成流域及區域洪澇災害主要原因[1]。為進一步提高海曙區防洪排澇能力，應對未來可能出現更惡劣的氣候條件，針對“煙花”臺風受災情況，通過實地調研[2]、部門座談、科學計算等方式，進行臺風水雨情復演及受澇原因分析，總結經驗教訓，科學合理的提出應對海曙區防洪排澇安全的對策措施，以保障人民生命財產安全和經濟社會可持續發展。

1 區域概況

海曙區位于寧波市甬江流域中部偏西，行政區劃面積約595.5km2，由北側姚江、南側奉化江及支流剡江、西側四明山區包圍而成，鄞江支流穿區而過，是“集東部中心城區中部郊區、西部山區為一體”的復合型城區。根據山區分水嶺，海曙區域集雨范圍面積約741.2km2，由海曙平原、海曙山區、寧峰片及鄞江山區四片組成。海曙平原匯水范圍北至姚江，南至鄞江、奉化江，西至山區分水嶺，呈三角形分布，平原內地勢西南高，東北低，地面高程為1.8～3.0m不等；平原西側為山區面積92km2，山區內建有溪下水庫一座；鄞江山區片位于海曙區西側山區，集雨范圍約387.9km2，上游建有周公宅、皎口兩座大型水庫；寧鋒片位于海曙區西南部，相對獨立。特殊的地形地勢條件、流域防洪排澇格局及城市開發建設使得海曙區水安全問題仍較為突出，平原洪澇災害現象頻發。如圖1所示。

圖1 海曙區行政區劃及匯水分區情況

2 臺風及受災情況

2021年第6號臺風“煙花”于7月18日2:00在西北太平洋洋面上生成，7月19日早晨加強為強熱帶風暴，7月21日11:00加強為強臺風級，7月25日12：30前后登陸舟山普陀區，登陸時強度為臺風級，7月26日上午9:00在杭州灣西部減弱為強熱帶風暴級，隨后于上午9：50在浙江省平湖市沿海再次登陸，7月28日凌晨由熱帶風暴級減弱為熱帶低壓，“煙花”為1949年有氣象記錄以來首個在浙江省內兩次登陸的臺風[3- 4]。受“煙花”臺風影響，海曙區從22日開始連續降雨，鄞江山區作為本次臺風的暴雨中心，降雨尤為突出，同時又恰逢天文大潮，風、暴、潮、洪“四碰頭”，導致海曙平原鄞縣大道以南區域普遍受淹0.5～1.5m，以北區域受淹0.2～0.5m，全區17個鎮(鄉)街道164個村(社區)近16萬群眾受災。

3 受災原因分析

3.1 持續性強降雨是造成海曙區大范圍受災直接因素

本次臺風移動慢，歷時長，雨量豐。臺風自22日開始影響海曙區，30日后逐漸減弱，歷時長達8d，持續降雨時長“超歷史記錄”，根據海曙區及周邊國家基本站實測雨量資料，臺風期間海曙區降雨自西往東方向遞減，山區大于平原，暴雨中心主要集中在海曙區鄞江流域上游周公宅—皎口一線，過程雨量普遍達600～800mm，局部900mm以上，最大的梨洲站達到1005mm。另通過等值線法計算面降雨量[5]，臺風期間海曙全區累計降雨485mm，超2013年“菲特”臺風，為有記錄以來最大，其中海曙集雨各片海曙平原、山區及寧峰片最大3d降雨量329mm，排頻為18年一遇；鄞江山區最大3d降雨量536.4mm，排頻近50年一遇。將本次降雨與近年來接連遭遇的“?？?、“菲特”、“燦鴻”、“杜鵑”、“莫蘭蒂”、“利奇馬”等臺風對比，從降雨量統計與“菲特”相似，但在降雨集中程度上，“煙花”臺風最大1d降雨量占最大3d的比重均超“菲特”及“燦鴻”等臺風，“煙花”臺風降雨過程更為惡劣。因此，長歷時集中強降雨是導致我區受澇嚴重的直接原因。如圖2所示。

圖2 “煙花”臺風期間海曙區及甬江流域最大三天降雨等值線圖

3.2 恰逢天文大潮是造成外江持續高水位是受災客觀因素

從奉化江流域降雨及干流水位分析，7月22—24日降雨量相對較小，此時奉化江干流水位受潮水控制，北渡、寧波兩水位站與甬江下游鎮海潮位站同漲落。7月25日凌晨甬江恰逢天文大潮并于25日凌晨“創歷史新高”，寧波站達3.79m，超歷史極值0.51m，隨后逐漸退去，但因25日凌晨開始奉化江流域發生集中降雨，上游山區短歷時累計降雨達80mm，上游山區洪水在經匯流后與下游潮水疊加，干流水位在洪潮雙重作用下不降反漲，使得北渡于25日13：00到達臺風最高水位4.21m，且干流全線超歷史極值，7月28日以后奉化江干流才進入退水期，水位持續下降，臺風期奉化江水位超警戒水位(2.5m)長達46h。姚江干流受上游持續強降雨及奉化江對姚江大閘出流的頂托，加之姚江流域兩側泵站的抽排(直排姚江泵站達536m3/s)，姚江干流水位持續上漲，姚江大閘站于26日2：00達到最高水位3.38m(超歷史極值0.44m)，27日后流域雨量漸止，干流退水，至7月29日10：00姚江大閘站水位退至2.0m以下，臺風期間超保證水位(2.6m)持續時間達70h。

因海曙平原澇水外排主要依托沿江水閘候潮排水，大量洪水只能等待外江水位低于內河水位才能外排，而當時正值農歷大潮汛，臺風初期受外江高潮位頂托影響，致使沿江水閘有效排水時間不長，排水功能基本喪失，內河水位無法明顯回落。同時因奉化江高潮位頂托，導致奉化江上溯潮水由鄞江尚未封閉的薄弱堤段倒灌進入海曙平原，進一步加大了平原受澇問題。另外本次臺風期間奉化江流域集中降雨經洪水演進之后并未與最高潮遭遇，若集中降雨提前8h，洪峰將與最高潮遭遇，北渡最高水位將抬升至4.70m以上，干支流面臨漫堤風險。同時姚江流域強降雨主要集中在25—26日，同樣較好錯過了最高潮，如降雨提前1d，則姚江干流水位將進一步抬升0.20m以上，姚江干流堤防也存在漫堤風險。如圖3—4所示。

3.3 相對薄弱的水利基礎設施是難以有效規避洪澇災害的現實因素

一方面因鄞江堤防尚未實施封閉，成為海曙防御外江洪水入侵的短板，根據“煙花”臺風期海曙平原洞橋水位情況，25日奉化江洪水通過鄞江倒灌進入洞橋，洞橋站與外江北渡站同步快速增長，并于當日14：00點出現第一次高水位4.21m，而后外江水位雖開始降低，但因上游水庫無法承受四明山區大量洪水入庫，為確保水庫大壩安全運行，上游大流量放水泄洪，上游洪水再次由洞橋、鄞江等地勢較低的薄弱堤段處漫堤而入，洞橋站出現高水位4.33m。另外海曙平原西側山區仍有62km2非受控區域，沿山干河工程未實施，使得西側山區直接下泄洪水達2362萬m3進入平原，進一步加重平原排澇壓力。此外平原骨干排澇體系尚未完善，強排設施整體不足，排澇壓力不斷增加，使得高水位期間平原最大滯蓄水量8361萬m3，其中，河網調蓄水量2200萬m3，近6161萬m3澇水淹沒于平原，農田、低洼鄉鎮受災嚴重。如圖5所示。

圖3 臺風期奉化流域降雨及水位過程線

圖4 臺風期姚江流域降雨及水位過程線

綜上，因海曙區整體水利基礎設施相對薄弱，有效防范區域大洪水的能力偏低，特別是臺風影響下澇水難排問題難以從根本上得以解決。

4 相關對策措施研究

4.1 計算方法

本文主要采用流域河網水動力模型[6- 7]，經率定之后分析區域洪水演進過程，模擬“煙花”臺風期間相關對策措施實施前后海曙洪澇受災情況，從而科學合理的提出應對海曙區防洪排澇安全的對策措施。

河網水動力數學模型主要將流域水系概化成由河網和水域組成的體系。河網由流域內骨干河道和重要連接等一系列主要河道組成，是流域輸送水流的載體；水域主要由支流小溪、水塘等水體概化成，主要起著水量調蓄作用。對河網采用節點—河道模型，對成片水域則劃分為單元，這部分單元僅起蓄水調節作用，不起動力輸水作用。通過引入陸域寬度概念，河網和水域便組成統一的數學模型，或稱混合模型。

圖5 臺風期海曙平原水位與水庫下泄、干流水位關系

(1)河網水動力模型中采用一維非恒定流方法來描述水流在明渠中運動，其基本方程圣維南偏微分方程組為：

(1)

(2)

式中，q—河道旁側入流，m3/s；BT—當量河寬，m；Z—斷面水位，m；Q—流量，m3/s；K——流量模數。

(2)堰閘水流方程

碶閘的泄洪形式為自由出流時：

(3)

淹沒出流方程為：

(4)

式中，m—閘孔自由出流流量系數；φ—閘孔淹沒出流流量系數；Zu—閘前水位；Zd—閘后水位；H—閘前水頭；Hs—閘后水頭；B—閘孔的寬度。

(3)泵站出流，泵站出流量由設計泵排能力和調度方式決定。

(4)漫灘與漫堤，通過分片制定了河網水位與漫灘庫容的關系曲線，用以模擬漫灘情況下各片區對洪水的調蓄作用。對于干流河道，河道水位超過河道堤防高程，洪水漫過堤防就近進入平原河網。

(5)模型參數分析與率定

①斷面尺寸：根據實測或規劃河道斷面圖量算，一般概化為梯形斷面。

②陸域寬度：根據甬江流域水系電子地圖，利用地理信息系統的功能量算得每條河道單位長度的平均匯流面積作為陸域寬度。

③河道糙率：主要河道的糙率根據實測的河道水位、流量資料進行率定取值，約0.023～0.038。其他河道按類比分析得出。

④水閘出流系數：根據實測的閘前、閘后同時水位、引排水流量資料進行率定取值。

⑤調蓄庫容：根據調查統計及河道特性及水面面積資料分析得出。

4.2 相關對策措施

針對本次防御“煙花”臺風中受災原因，按照“洪澇分治”的原則，從流域系統治理的角度，針對海曙區洪澇災害提出“南側擋洪、西面導流、中部疏通、內增滯蓄、外加強排”的治理策略，基本形成應對區域“洪、澇、潮”防御體系，有效提高海曙區防洪減災能力[8- 12]。

南側擋洪：沿鄞江修建防洪堤，形成防洪閉合區的同時，通過洪水灣樞紐調度節制，洪水期間控制鄞江分洪入海曙平原洪量，20年一遇下，鄞江入南塘河水量不超過1000萬m3。

西面導流：利用海曙西側湖泊河、梅梁橋河作為沿山導流工程，將西側部分山區洪水經大西壩出口導入姚江，減少山區匯入平原的水量。

中部疏通：拓寬和疏浚海曙片主要排水河道，構建“五縱五橫”高速排水系統，保證河道過流能力與沿江閘泵工程排水能力相匹配，打造平原排澇“高速水路”，給洪水澇水以快速通道，同時保證足夠的平原河網水面率，提升平原自身調蓄能力。其中南北向五縱排水系統為沿山導流河排水系統、蟹堰碶河排水系統、風棚碶河—邵家渡河排水系統、行春碶—躍進河—五江河排水系統和護城河—北斗河排水系統；東西向的五橫排水干河系統為南塘河排水系統、千丈鏡河排水系統、橫街鎮—屠家堰排水系統、西塘河和中塘河。

內增滯蓄：沿小溪港—梅梁橋河—湖泊河東側布設調蓄湖，調蓄庫容為1086萬m3，分別位于梅梁橋河及湖泊河右側。洪水期間，滯蓄海曙平原洪澇水量，降低平原內澇水位，后期經湖泊河外排姚江，或作為水資源、水生態利用。

外加強排：進一步增設沿江強排泵站，總流量提升至346.8m3/s，提升平原整體排澇能力，確保因外江頂托導致碶閘難以外排情況下，通過泵站強排保障平原防洪排澇安全。

同時建議治理海曙應跳出海曙治海曙，加快姚江流域西分北排工程建設，盡早實施奉化江流域南排象山港工程建設，降低干流防洪壓力。

4.3 對策措施前后受澇情況

海曙區防洪排澇工程按本次推薦對策措施實施后，再次遭遇“煙花”臺風降雨情況下，海曙平原最高澇水位可控制在2.6m以下，其中洞橋—黃古林一線臺風期澇水位可降低0.8～1.75m，集士港臺風期澇水位可降低0.36m，老城區水位降低0.28m，海曙平原排澇標準可由現狀不足10年一遇提升至20年一遇。海曙平原工程實施前后水利計算成果見表1。

表1 相關對策措施實施前后海曙平原水利計算成果對比表 單位：m

5 結語

“煙花”臺風期間，持續性強降雨、外江天文大潮、相對薄弱的水利基礎設施是造成海曙區受災主要原因，通過相關對策措施可有效提升海曙區防洪減災能力，臺風期間平原水位可降低0.28～1.75m，平原排澇標準提升至20年一遇。

文章對海曙區防洪排澇工作中存在的短板問題有較為深刻認識，可作為區域防洪減災工作開展的重要依據，同時文章提出的防洪減災治理思路、對策措施可為城市開發建設提供借鑒，支撐區域經濟社會可持續發展。但海曙區防洪形勢受流域因素影響較大，本次研究針對流域對策措施尚有欠缺，后續研究工作需進一步深化。